Dochází v okolí neutronových hvězd ke dvojlomu vakua? Kredit: NASA.

Pozorování neutronových hvězd je jistě zážitek sám o sobě. A když máte štěstí, tak přitom narazíte na podivný kvantový jev, který byl sice předpovězen už ve třicátých letech, ale zatím ho ještě nikdo nikdy neviděl. A ohromíte s tím celý svět. Přesně tohle se povedlo týmu, který vedl Roberto Mignani z italského národního astrofyzikálního institutu INAFu v Miláně a také z polské Univerzity v Zelené Hoře.

Okolí neutronové hvězdy extrémně slabě zářící RX J1856.5-3754. Neutronová hvězda je přesně uprostřed. Kredit: ESO.

Mignani a jeho kolegové použili soustavu teleskopů Evropské jižní observatoře Very Large Telescope (VLT), která je součástí chilské Observatoře Paranal, k pozorování neutronové hvězdy RX J1856.5-3754. Tohle je ve skutečnosti jedna z nejbližších neutronových hvězd, vzdálená od nás asi 400 světelných let. Navzdory tomu je ale extrémně obtížné ji pozorovat. RX J1856.5-3754 totiž září nesmírně slabě a v oblasti viditelného světla ji lze detailněji pozorovat jedině se spektrografem FORS2 (Focal Reducer and Low Dispersion Spectrograph), který je v soustavě VLT nainstalován na teleskopu UT1. I tak je prý pozorování této neutronové hvězdy na samotné hranici nejzazšího výkonu dnešních přístrojů.

Pozorování dvojlomu vakua. Kredit: ESO / L. Calçada.

Neutronové hvězdy jsou velice husté oharky po explozích supernov masivních hvězd o hmotnosti nejméně několika Sluncí. Mívají doopravdy hodně extrémní magnetická pole, asi tak několik miliardkrát silnější nežli Slunce. Tato magnetická pole jsou tak strašlivě silná, že to ovlivňuje i prázdný prostor v okolí neutronových hvězd. Prázdno, čili vakuum obvykle považujeme zcela prázdné. Podle kvantové elektrodynamiky je ale takové vakuum plné virtuálních částic, které se neustále objevují a zase mizí, jako částicoví duchové. Extrémně silná magnetická pole mohou podle kvantové elektrodynamiky ovlivnit vakuum natolik, že to má vliv na polarizaci záření, které takovým vakuuem prochází.

Very Large Telescope (VLT). Kredit: ESO.

Jak říká Mignani, extrémně magnetizované vakuum se podle kvantové elektrodynamiky chová jako optický hranol, v důsledku čehož dochází k podivnému kvantovému jevu, ke dvojlomu vakua (anglicky vacuum birefringence). Kvantová elektrodynamika předpovídá celou řadu jevů, ale zrovna u dvojlomu vakua, který byl předpovězen už ve třicátých letech, kdy se na tom podíleli Werner Heisenberg a Hans Heinrich Euler, nám stále schází přímý důkaz. Pokusy objevit dvojlom vakua v pozemské laboratoři neuspěly. Podle Roberta Turolly z italské Univerzity v Padově může být dvojlom vakua pozorován jenom v opravdu hodně silných magnetických polích. Pro takové pozorování se hodí právě neutronové hvězdy a Turolla zdůrazňuje, že neutronové hvězdy jsou vlastně skvělé přírodní laboratoře, v nichž je možné důkladně prověřit základní fyzikální vztahy. Když Mignaniho tým detailně analyzoval data ze soustavy teleskopů VLT, tak badatelé detekovali takzvanou lineární polarizaci záření od zmíněné neutronové hvězdy, dokonce v nemalé míře (16 procent). Podle nich má tuhle polarizaci na svědomí působení dvojlomu vakua, k němuž dochází v brutálně zmagnetizovaném vakuu, které obklopuje neutronovou hvězdu RX J1856.5-3754. Stávající modely, které nezahrnují dvojlom vakua, zjištěnou polarizaci záření nevysvětlí. Astrofyzik Vincenzo Testa z INAFu v Římě podotýká, že tahle neutronová hvězda je nejslaběji zářícím objektem, u něhož kdy byla změřena polarizace. Pozemská technika dostala zabrat, ale povedlo se.

Mignani a další astrofyzici teď budou dál usilovně pátrat po dalších stopách dvojlomu vakua. Nejen ve viditelném světle, ale i oblasti rentgenového záření. Badatelé čekají na teleskopy nové generace, které by jim v tomto směru měly významně usnadnit práci. Hodně si slibují například od velmi očekávaného Evropského extrémně velkého dalekohledu (European Extremely Large Telescope, zkráceně E-ELT). Na chilské hoře Cerro Armazones ho spustí asi v roce 2024. S ním i s dalšími teleskopy budou astrofyzici hledat jemné náznaky stop dvojlomu vakua kolem mnoha dalších neutronových hvězd.

Video:  The polarisation of light emitted by a neutron star

Video:  A Bird’s Eye View of ESO Observatories


Literatura
ESO 30. 11. 2016, arXiv:1610.08323, Wikipedia (QED vacuum).